Succéder à la conception et à la construction d’une centrale hydroélectrique, tout en tenant compte des contraintes d’espace du site et en ne perturbant pas le trafic commercial sur une voie navigable très fréquentée, a représenté un défi pour un service public du Midwest et les ingénieurs du projet. C’est un exemple de la façon dont la collaboration et l’innovation ont contribué à la réussite du projet. Photo courtoisie : Stantec
Les projets hydroélectriques réussis nécessitent une quantité importante de planification, avec une foule de défis d’ingénierie liés à la conception, la construction et l’installation. Les constructeurs doivent tenir compte des caractéristiques naturelles telles que les failles de poussée et le substratum rocheux altéré, des préoccupations environnementales liées au ruissellement pendant la construction et du potentiel d’inondation pendant les crues.
Imaginez cela, multiplié par quatre. C’est ce qu’a fait American Municipal Power (AMP) lorsqu’elle a décidé d’ajouter de l’énergie verte, en l’occurrence de l’hydroélectricité, à son portefeuille pour desservir ses membres dans neuf États. AMP a passé un contrat avec MWH – qui fait maintenant partie de Stantec – pour concevoir et construire quatre projets hydroélectriques le long de la rivière Ohio, à proximité d’écluses et de barrages du Corps des ingénieurs de l’armée américaine.
Capturer la puissance de la rivière était primordial ; la conception devait maximiser le potentiel d’énergie verte de basse chute sur chaque site. Les travaux ne devaient pas non plus perturber la circulation sur le fleuve, qui est le deuxième fleuve après le Mississippi en termes d’utilisation commerciale aux États-Unis.
La construction de la centrale hydroélectrique de Willow Island près de St. Marys, en Virginie occidentale, était particulièrement difficile, car sa conception serait différente des trois autres centrales en raison de son emplacement sur le fleuve. Elle aurait une empreinte plus petite, l’espace étant limité par une voie ferrée adjacente. Les remorques de construction et les gros équipements devaient être situés hors site.
La société The Ruhlin Company, basée dans l’Ohio, était l’entrepreneur principal du projet. L’excavation et la construction du batardeau ont commencé en juin 2011. La construction de la centrale électrique a démarré en décembre 2012. Lorsque Willow Island est entrée en pleine exploitation commerciale en février 2016, c’était l’aboutissement d’un processus qui a mobilisé 485 travailleurs à son apogée, issus de plusieurs entreprises différentes et chargés d’un large éventail de tâches. Aujourd’hui, la centrale de 44 MW fournit une énergie renouvelable propre et, en assurant la stabilité du réseau, permet également de poursuivre le développement de sources renouvelables intermittentes telles que l’éolien et le solaire dans la région.
Une conception à deux turbines
Willow Island a été construite en même temps que trois autres centrales hydroélectriques AMP sur la rivière Ohio. Mais Willow Island présente une différence majeure : elle possède deux turbines bulbes (figure 1) alors que les autres centrales – Cannelton (88 MW) près de Hawesville, Kentucky ; Meldahl (105 MW) près de Maysville, Kentucky ; et Smithland (76 MW) près de Smithland, Kentucky – en possèdent chacune trois.
1. Les rouages internes. Ce schéma de la centrale de Willow Island montre comment l’eau de la rivière Ohio entre dans l’installation et passe dans la turbine pour produire de l’électricité. La centrale est conçue pour fonctionner de façon autonome toute l’année, 24 heures sur 24. Le personnel de la centrale est chargé des inspections quotidiennes de sécurité et de fonctionnement. Sept à dix personnes sont employées à temps plein, avec un minimum de deux travailleurs sur place par équipe. Du personnel supplémentaire se trouve sur un site de contrôle central pour surveiller la centrale et les autres installations de production d’AMP. Courtoisie : American Municipal Power
Stephen Panozzo, chef de projet de Stantec pour l’île Willow, a expliqué à POWER que c’est parce que » l’île Willow est située en amont des trois autres projets, et a donc des débits de rivière un peu plus faibles parce que son bassin versant est plus petit. À mesure que vous vous déplacez plus loin en aval, il y a des ruissellements supplémentaires qui contribuent au débit déjà présent dans la rivière, de sorte qu’il y a plus de débit disponible plus vous allez en aval. »
L’électricité produite à Willow Island passe par une ligne de transmission de 1,6 mille qui se connecte à une ligne de transmission existante en Virginie-Occidentale, selon AMP.
Panozzo a souligné « un désir de garder les turbo-générateurs essentiellement de la même taille dans les quatre projets en raison d’économies par la conception, la fabrication, et finalement l’exploitation et la maintenance par le partage des pièces de rechange et autres. » Il a noté qu’AMP voulait « profiter de la plage de débit disponible sur chacun des sites en utilisant les machines souhaitées, et par le biais d’une étude d’ingénierie, il a été déterminé que deux était le nombre optimal d’unités de turbine-générateur à Willow Island. »
Les turbines et les générateurs de la centrale ont été conçus et construits par Voith Hydro, basé à York, en Pennsylvanie. Panozzo a déclaré que les « turbines ont une puissance maximale garantie de 21,8 MW à une hauteur de chute nette nominale de 16 pieds à une vitesse synchrone de 58,06 tr/min », et a noté que la puissance garantie au point de meilleur rendement est de 12,6 MW.
« Les deux unités sont de type Kaplan à arbre horizontal, dans la configuration « bulbe », et sont à double régulation avec des pales de couloir réglables et des vannes à guillotine », a-t-il déclaré. « Chaque turbine possède trois pales et 16 vannes, avec un diamètre de 7,7 mètres, soit environ 25 pieds. Les générateurs ont une capacité nominale de 23,72 MVA à une tension nominale de 6,9 kV avec un facteur de puissance de 0,90. Le rotor est de type disque avec 124 pôles et des enroulements de champ montés sur le cylindre. Les systèmes d’isolation du stator et des enroulements de champ sont en matériaux de classe F, mais fonctionnent à des températures de classe B pour obtenir une plus longue durée de vie. La génératrice est munie de freins à actionnement pneumatique et d’un système de collecte de la poussière de frein pour minimiser l’accumulation de poussière de frein dans l’ampoule. »
Défis de la construction
La construction à Willow Island comportait de nombreux défis au-delà de la nécessité de localiser les remorques de construction et de stocker l’équipement hors site. Panozzo a noté que le fait d’avoir quatre projets en cours simultanément « a mis à rude épreuve l’expertise en matière de fabrication et de construction », bien qu’il y ait eu un avantage, car cela « a permis le transfert des connaissances et des compétences à la prochaine génération ». Il y avait également la question de la concurrence pour les travailleurs de la construction avec d’autres industries locales, y compris les opérations pétrolières et gazières.
Le cabinet d’ingénierie Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE), basé à New York, a dirigé une équipe comprenant Geocomp, une société de services de conception et de surveillance géostructurale du Massachusetts, pour la conception du batardeau, une structure cellulaire composée de 16 cellules de 63 pieds de diamètre et de 67 pieds de haut. Le batardeau était une enceinte étanche qui permettait aux travaux de construction de se dérouler sous la ligne de flottaison. MRCE a conçu des ancrages de roche à haute capacité pour stabiliser la coupe de roche de 60 pieds de profondeur pour la construction de l’usine.
La construction du batardeau – et son retrait – n’était qu’un des défis particuliers de la construction sur une rivière. Said Panozzo : « Le niveau de la rivière au barrage de Willow Island est quelque peu imprévisible, montant et descendant avec peu d’avertissement. Cela s’est avéré difficile après le retrait du batardeau, bien que la centrale soit conçue pour être débordée en cas de crue. Pendant la phase finale de la construction, les trappes de la centrale sont restées ouvertes pour permettre l’accès à l’équipement des turbines et des générateurs. À plusieurs reprises, il a été nécessaire que l’entrepreneur démobilise son équipement de la centrale et installe les trappes de toit, parfois avec pas plus d’un jour de préavis. »
Le comté de Pleasants, dans lequel se trouve St. Marys, est connu pour ses roches et ses blocs de grès, ainsi que pour le terrain escarpé le long de la rive. En fait, dans une zone connue sous le nom de Raven Rock, avant la construction d’écluses et de barrages sur la rivière, les bateaux fluviaux devaient souvent attendre dans cette zone lorsque le niveau d’eau était trop bas pour naviguer. Des inscriptions, apparemment écrites par des voyageurs fluviaux attendant que l’eau monte, parsèment de nombreux rochers le long de la rive.
« Lors de l’excavation des roches, une faille de chevauchement a été exposée le long de la face riveraine de l’excavation de la centrale », a déclaré Panozzo, ce qui signifiait que des boulons de roche devaient être installés, et nécessitait également l’utilisation de béton projeté. Il a ajouté qu’il avait été proposé à l’origine que l’excavation de la roche pour la fondation de la centrale, ainsi que des parties du canal d’approche et du canal de fuite qui s’étendent dans le substratum rocheux, soit effectuée au moyen d’un forage et d’un dynamitage conventionnels. Mais après avoir effectué un forage linéaire le long du périmètre de l’excavation, la décision a été prise « d’excaver mécaniquement la roche à l’aide de bouteurs, d’une excavatrice avec brise-roche et de scies à rocher au lieu de procéder à un forage et à un dynamitage. En outre, un broyeur d’asphalte a été utilisé pour excaver ou tailler les surfaces rocheuses verticales et horizontales jusqu’à la ligne et au niveau définitifs, lorsque les bouteurs n’étaient pas en mesure d’arracher les surfaces rocheuses dans les tolérances requises. » Les gros bulldozers ont finalement enlevé environ 410 000 verges cubes de roche.
Bénéfices pour la communauté
Panozzo a déclaré que le projet Willow Island fournit de l’énergie à 79 communautés membres de l’AMP. Sa production de base assure la stabilité du réseau, ce qui permet de construire davantage de sources d’énergie renouvelable telles que l’éolien et le solaire dans la région et de les connecter au réseau. Panozzo a déclaré que la centrale d’énergie propre compense environ 146 000 tonnes d’émissions de dioxyde de carbone par an.
Et il y a des avantages au-delà de la fourniture d’électricité. Le projet est également responsable de l’ajout d’une route d’accès, de quais de pêche, d’un abri de pique-nique, de toilettes publiques, d’allées en béton et de parkings dans le cadre d’une zone de loisirs de 14 acres. Et elle devrait fournir de l’hydroélectricité pour les années à venir.
« Cette centrale a été conçue en pensant à la prochaine génération », a déclaré Panozzo à POWER. « Avec un entretien de routine, elle fonctionnera pendant au moins 60 à 70 ans, ce qui se traduira par une énergie propre et fiable pour nos petits-enfants. » ■
-Darrell Proctor est un rédacteur associé de POWER.